La luce è probabilmente uno degli argomenti più strani che uno studente di fisica incontrerà. La cosa più veloce nell'universo è in qualche modo sia una particella che un'onda - e mostra le proprietà uniche di entrambi allo stesso tempo. Ma cosa è Capire cosa sono fotoni I fotoni sono il nome formale per le particelle di luce. Possono essere visibili all'uomo o meno, poiché qui il termine luce I fotoni sono una particella quantizzata. Ciò significa che esistono solo in quantità discrete di energia, piuttosto che in qualsiasi quantità di energia nel mezzo. Quando si considera la descrizione più orientata alla chimica di un fotone come l'energia rilasciata quando un elettrone scende a un livello di energia inferiore nell'atomo, questo ha senso: gli elettroni possono trovarsi solo in orbitali specifici o livelli di energia. Non ci sono mezzi passaggi. Quindi, se un fotone è il risultato di un "elettrone che cade", un fotone deve anche venire solo in quantità di energia specifica o quanti. Albert Einstein ha introdotto la nozione di quanti di luce (fotoni) in un documento del 1905. Uno dei quattro articoli che pubblicò quell'anno che rivoluzionò la scienza, questa fu l'idea che gli valse il premio Nobel. Come accennato in precedenza, la luce si riferisce a qualsiasi tipo di radiazione elettromagnetica, il tipi di cui si distinguono per le loro diverse frequenze (o lunghezze d'onda). Queste due misure sono caratteristiche delle onde, ne consegue che la luce deve essere un'onda elettromagnetica. Ma aspetta - nella sezione precedente dell'articolo la luce è stata introdotta come particella Pertanto sia "onda elettromagnetica" che "fotone" sono descrittori accettabili della luce. Di solito la prima frase è usata per descrivere la luce quando agisce come un'onda e il secondo termine quando agisce come una particella. Questo diventa importante a seconda dei fenomeni che un fisico sta esaminando. In alcune situazioni e in alcuni esperimenti, i fotoni si comportano come i fisici si aspettano che le particelle agiscano, ad esempio, quando osservano l'effetto fotoelettrico. In altre situazioni ed esperimenti, la luce agisce più come le onde, come quando si modula una stazione radio. Qualunque cosa limitata a valori discreti piuttosto che esistente su uno spettro continuo sta subendo la quantizzazione. La quantizzazione in un atomo spiega che la quantità di energia che può essere emessa sotto forma di un fotone si verificherà solo in multipli della costante di Planck dell'unità elementare, h h \u003d 6.6262 x 10 -34 joule-seconds Questa unità, scoperta da Max Planck alla fine del 1800, è una delle unità più bizzarre e importanti della fisica. Descrive la relazione tra la frequenza di una particella d'onda e il suo livello di energia, e quindi stabilisce un limite inferiore inferiore sulla certezza con cui possiamo comprendere la struttura della materia. Una delle più grandi ramificazioni della conoscenza di questo limite , che ha anche contribuito a iniziare il campo di studio strano ma reale noto come fisica quantistica, è che ai più piccoli livelli subatomici la posizione delle particelle è descrivibile solo come una probabilità. Detto in altro modo, solo la posizione di una particella subatomica o Definizione dei quanti h E \u003d hf dove l'energia E La maggior parte delle persone probabilmente pensa a particelle come piccole unità di materia, che sono dimensionate in base alle loro masse. Questo rende la forma particellare della luce una bestia particolarmente strana poiché, come unità di pura energia, un fotone ha massa zero. Un'altra importante proprietà dei fotoni è che viaggiano sempre alla velocità della luce, ~ 300.000.000 m /s nel vuoto dello spazio vuoto. La luce può viaggiare più lentamente di così - ogni volta che incontra altra materia interagisce con essa e rallenta, in modo che più denso è il materiale attraverso il quale la luce viaggia, più lento va. Tuttavia, nulla nell'universo può viaggiare più veloce della luce. Non il razzo più veloce né la particella atomica più accelerata. Suggerimenti La velocità della luce, ~ 300.000.000 m /s, è la più veloce che qualsiasi cosa possa fare viaggio. Questo è il motivo per cui viene anche definito limite di velocità dell'universo. In questo modo, comprendere la luce è fondamentale per comprendere i limiti fondamentali dell'universo stesso, dal suo più grande al suo più piccolo. Sebbene la luce viaggi sempre alla stessa velocità Alla lunghezza d'onda più lunga e all'estremità di frequenza più bassa sono le onde radio, dopodiché arrivano microonde, infrarossi, luce visibile, ultravioletti, X- raggi e raggi gamma ad alta energia, ciascuno con lunghezze d'onda progressivamente più brevi e frequenze più elevate. I fisici negli anni '30 iniziarono a capire che tutta la materia nell'universo è composto da poche particelle fondamentali, note come particelle elementari, che sono tutte governate dallo stesso insieme di forze fondamentali. Il Modello standard In sviluppo dagli anni '70, il Modello Standard ha finora previsto correttamente i risultati di molti, ma non tutti, esperimenti di fisica quantistica. Un problema evidente ancora da risolvere nel modello è come incorporare la gravità nell'insieme delle equazioni. Inoltre, non riesce a fornire risposte su alcune grandi domande cosmologiche, incluso capire cosa sia la materia oscura o dove sia scomparsa tutta l'antimateria creata nel Big Bang. Tuttavia, è ampiamente accettata e considerata la migliore teoria per spiegare la natura fondamentale della nostra esistenza fino ad oggi. Nel Modello Standard, tutta la materia è costituita da una classe di particelle elementari chiamate fermioni Gli altri componenti del modello standard sono forze e particelle portanti, note come bosoni Fisici delle particelle che lavorano agli acceleratori o osservano collisioni di particelle ad alta energia da lo spazio ha identificato i bosoni per le ultime tre forze. Il fotone è il bosone che trasporta la forza elettromagnetica nell'universo, il gluone Radiazione di corpo nero. I corpi neri sono un ipotetico tipo di oggetto (non esistono quelli perfetti in natura) che assorbono tutta la radiazione elettromagnetica che li colpisce. In sostanza, qualsiasi radiazione elettromagnetica che colpisce un corpo nero serve a riscaldarlo e la radiazione che emette durante il raffreddamento è quindi direttamente correlata alla sua temperatura. I fisici possono usare questa approssimazione per dedurre le proprietà dei corpi neri quasi perfetti nell'universo, come stelle e buchi neri. Mentre la natura ondulatoria della luce aiuta a descrivere le frequenze della radiazione del corpo nero che un oggetto assorbirà e emettono, la sua natura di particelle come un fotone aiuta anche a descriverlo matematicamente, poiché le energie che il corpo nero può contenere sono quantizzate. Max Planck è stato tra i primi a indagare su questo fenomeno. L'esperimento a doppia fenditura. Un principio centrale della fisica quantistica, l'esperimento a doppia fenditura mostra come brillare una luce su una barriera con due aperture strette si traduce in un modello distintivo di luci e ombre scure noto come schema di interferenza delle onde La strana parte di ciò è che un singolo fotone mostrato attraverso l'apertura si comporterà comunque come se interferisse con altri fotoni, nonostante sia solo e indivisibile. Questo per dire che il modello di luce osservato nell'esperimento non può essere spiegato trattando la luce solo come un fotone o un'onda; deve essere considerato entrambi. Questo esperimento viene spesso citato per spiegare cosa si intende per idea della dualità onda-particella. L'effetto Compton. L'effetto Compton è un altro esempio osservabile dell'interazione tra onda luminosa e natura delle particelle. Descrive come sia l'energia che il momento sono conservati quando un fotone si scontra con un elettrone stazionario. La combinazione dell'equazione per la quantità di energia di un fotone con le equazioni di conservazione del momento mostra che la lunghezza d'onda risultante del fotone in uscita (l'elettrone inizialmente fermo) può essere prevista dalla lunghezza d'onda del fotone in arrivo che gli ha dato energia. Spettroscopia. La tecnica della spettroscopia consente a fisici, chimici, astronomi e altri scienziati di studiare la composizione materiale di un oggetto, comprese le stelle distanti, semplicemente analizzando i modelli risultanti dalla divisione della luce in arrivo da quell'oggetto con un prisma. Poiché elementi diversi assorbono ed emettono fotoni in quanti discreti, le lunghezze d'onda elettromagnetiche osservate cadono in segmenti discreti a seconda di quali elementi contengono gli oggetti. Equivalenza energia-massa. Molti bambini possono recitare la famosa equazione di Einstein E \u003d mc 2 I fisici delle particelle usano l'equivalenza massa-energia per determinare unità più semplici per alcune delle loro misurazioni. Ad esempio, i fisici quantistici cercano le masse di fermioni o bosoni accelerando le particelle subatomiche come protoni ed elettroni a velocità vicine alla luce in acceleratori giganti e distruggendole insieme, quindi analizzando gli effetti dei "detriti" in array elettrici altamente sensibili. Invece di fornire una massa in chilogrammi, tuttavia, il modo comune di riportare masse di particelle è in giga-elettronvolt o GeV, un'unità di energia. Per restituire questo valore a una massa nell'unità SI di chilogrammi, possono usare questa semplice relazione: 1 GeV / c
luce?
e cosa significa quantizzazione
è fondamentale per comprendere la natura della luce, la fisica quantistica e la miriade fenomeni correlati.
Cosa sono i fotoni?
viene usato in senso fisico, il che significa che un fotone è una particella di radiazione elettromagnetica a qualsiasi frequenza sullo spettro, dalle onde radio ai raggi gamma .
Dual-wave-particle
, il fotone, non come un'onda. Questo è corretto. La strana natura della luce deve esistere in quella che viene chiamata dualità onda-particella: è sia un'onda che una particella.
Cos'è la quantizzazione?
.
velocità può essere conosciuta con certezza in un dato momento, ma non entrambi
.
porta a un'equazione per l'energia di un fotone:
è in joules (J), la costante di Planck < em> h
è in joule-secondi (Js) e la frequenza f
è in hertz (Hz).
Proprietà dei fotoni e della radiazione elettromagnetica
in un dato mezzo, come forma di radiazione elettromagnetica, può avere frequenze diverse
o < em> lunghezze d'onda
. Le frequenze e le lunghezze d'onda della luce come onde elettromagnetiche cambiano inversamente l'una con l'altra lungo uno spettro.
Particelle elementari e modello standard di fisica delle particelle
della fisica delle particelle è un insieme di equazioni che tentano di descrivere sinteticamente come si collegano tutte queste particelle elementari e le forze fondamentali. La luce è un pezzo critico di questa descrizione universale.
. I fermioni sono di due tipi: quark
o leptoni
. Ognuna di queste categorie è ulteriormente suddivisa in sei particelle, correlate in coppie note come generazioni
. La prima generazione è la più stabile, con particelle più pesanti e meno stabili trovate nella seconda e terza generazione.
. Ognuna delle quattro forze fondamentali - gravità, elettromagnetica, forte e debole - è associata a un bosone che trasmette la forza negli scambi con particelle di materia.
trasporta la forza forte e le particelle W
e Z
portano la forza debole. Ma il bosone teorico della gravità, il gravitone
, rimane sfuggente.
Fenomeni di luce selezionati
.
. Breve e dolce, le vere implicazioni di questa equazione sono profonde: massa m
ed energia E
sono equivalenti e possono essere convertite l'una nell'altra usando la velocità della luce nel vuoto, c
, quadrato. Ciò implica in modo importante che un oggetto che non si muove ha ancora energia; in questo caso si dice che la sua massa di riposo è uguale alla sua energia di riposo
2 \u003d 1.78266192 × 10 −27 k.
